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激光軟釬焊技術(shù):SMT領(lǐng)域內(nèi)的現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢(shì)(上)

大研智造 ? 來源:jf_44781395 ? 作者:jf_44781395 ? 2024-09-29 13:57 ? 次閱讀
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激光是20世紀(jì)與微機(jī)技術(shù)、原子技術(shù)等并列的最偉大的技術(shù)之一,世界上第一臺(tái)紅寶石激光器,誕生于20世紀(jì)60年代。與其他種類的光相比,激光具有高方向性,高單色性,高功率,高相干性等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前,激光技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于焊接、醫(yī)療、材料切割、新型武器等多個(gè)方面。

微電子技術(shù)的兩大主導(dǎo)部分:微電子元器件和微電子組裝技術(shù),正以日新月異的速度高速發(fā)展,并相輔相成,互相促進(jìn)。隨著微電子組裝技術(shù)的發(fā)展,電子元器件越來越呈現(xiàn)出微型化的趨勢(shì)。SM T技術(shù)是包括表面安裝元件SM C、表面安裝器件SM D、表面安裝印刷電路板、普通混裝印刷電路板、點(diǎn)膠、涂膏、表面安裝設(shè)備、元器件取放系統(tǒng)、焊接及在線測(cè)試等技術(shù)內(nèi)容的一整套工藝技術(shù)過程的統(tǒng)稱。激光軟釬焊技術(shù)就是用激光為熱源,輻射引線或焊盤,通過釬料向基板傳熱,當(dāng)溫度達(dá)到軟釬焊溫度時(shí),釬料潤濕鋪展形成焊點(diǎn)。由于具有光斑面積可調(diào),熱影響區(qū)小,快速加熱與冷卻等優(yōu)點(diǎn),激光軟釬焊技術(shù)已經(jīng)成為了具有廣闊發(fā)展前景的SMT技術(shù)。

1 激光加工的含義及特點(diǎn)

激光加工就是將激光照射到待加工工件的表面,用以去除和熔化材料,改變物體表面或內(nèi)部的性質(zhì),以期達(dá)到想要的結(jié)果,屬于非接觸式加工。激光加工的主要特點(diǎn)是被加工工件變形小,熱影響區(qū)小,無污染,無噪音,加工速度快。與其他焊接技術(shù)相比,激光焊接技術(shù)是一種現(xiàn)代的新型焊接技術(shù),并有如下特點(diǎn):
(1)激光輸出的功率密度高,可達(dá)1×105~1×107W/cm2。同時(shí),激光束與被加工物體之間的作用區(qū)域是局部的,熱影響區(qū)小,對(duì)周圍零部件幾乎不產(chǎn)生影響。因此,激光適用于精密元器件和帶有熱敏感元器件的線路板的焊接。
(2)激光具有光學(xué)特性,可以透過透明介質(zhì)對(duì)密閉的工件進(jìn)行加工。
(3)激光適用于難熔金屬,異種金屬之間的焊接。
(4)由于激光不受電磁干擾,無磁偏吹現(xiàn)象,適用于磁性材料之間的焊接。
激光可以實(shí)現(xiàn)碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等多種材料的焊接,焊接質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)的焊接方法。激光焊接技術(shù)在飛行器制造、汽車制造、壓力容器制造、船舶等領(lǐng)域已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用。目前,應(yīng)用于軟釬焊領(lǐng)域內(nèi)的激光器主要有五種:CO2氣體激光器,Nd:YAG固體激光器,半導(dǎo)體激光器、光纖激光器和飛秒激光器。

2軟釬焊激光器

2.1 紅外CO2激光器

CO2激光器是目前在工業(yè)中應(yīng)用最廣泛,大量應(yīng)用于航天、船舶、汽車等領(lǐng)域。它的工作氣體主要是CO2、N2和He。其中,CO2是產(chǎn)生激光的粒子;N2用來激勵(lì)CO2粒子,使高能級(jí)的CO2粒子數(shù)增加,加速CO2粒子的弛豫過程,同時(shí)也有抽空低能級(jí)CO2分子的作用;He同樣有抽空較低能級(jí)的CO2分子的作用,同時(shí)具有散熱作用,提高激光器的輸出功率和效率。對(duì)于不同結(jié)構(gòu),不同功能需求的CO2激光器,其工作氣體的組成成分及比例亦有不同。


CO2激光器具有輸出功率范圍大(從幾毫瓦到幾百千瓦的連續(xù)功率輸出),能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。它產(chǎn)生的激光波長一般為10.6μm,屬于遠(yuǎn)紅外波段,不易為金屬釬料吸收,而容易被有機(jī)物吸收,因此,必須避免其直接照射PCB板。在軟釬焊過程中,CO2激光器產(chǎn)生的激光可強(qiáng)烈的被釬料中的釬劑吸收,使釬劑的溫度迅速升高,受熱的釬劑再將熱量傳導(dǎo)給金屬釬料,完成整個(gè)釬料的熔化,實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的連接。
但是,由于CO2激光器產(chǎn)生的激光不能通過光纖進(jìn)行傳輸,影響了其加工的自動(dòng)化程度和靈活性,同時(shí),其機(jī)器設(shè)備成本高,耗材費(fèi)用高,內(nèi)部很多零部件過于精細(xì),對(duì)使用的環(huán)境要求較高,這些都限制了它的使用范圍。

2.2 紫外Nd:YAG固體激光器

Nd:YAG激光器是摻Nd的釔鋁石榴石(Yttrium Aluminum Garnet)固體激光器的簡稱。釔鋁石榴石的化學(xué)式為Y3Al5O12,由Y2O3和Al2O3按照摩爾比3:5混合而成。在其晶格點(diǎn)陣上,Y3+按照一定的規(guī)律排列,而在摻了一定量的Nd2O3之后,一些點(diǎn)陣上的Y3+被Nd3+取代,形成了淡紫色的Nd:YAG晶體。

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Nd:YAG 能級(jí)簡圖


Nd:YAG激光器具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)Nd:YAG激光器屬于四能級(jí)結(jié)構(gòu),量子效率高,受激輻射截面積大,閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于紅寶石和Nd玻璃等固體激光器。
(2)Nd:YAG具有良好的熱穩(wěn)定性能,熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高。
(3)Nd:YAG化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,晶體硬度大,易于制成高穩(wěn)定度要求的器件。它是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的激光固體工作物質(zhì)。
(4)Nd:YAG激光器產(chǎn)生的激光波長為1.06μm,更適合于金屬的吸收,易被樹脂、陶瓷等反射,因此對(duì)PCB的影響不大。圖1給出了不同物質(zhì)對(duì)不同波長激光的吸收率。

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圖1 材料對(duì)不同波長激光的吸收率

Nd:YAG激光器產(chǎn)生的激光可以通過光纖傳輸,易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的加工和自動(dòng)化。但是,Nd:YAG激光器多采用光浦泵,而且能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多,器件總效率約為1%~3%,遠(yuǎn)低于CO2激光器的10%,而且泵浦燈使用壽命較短,需要經(jīng)常更換。Nd:YAG激光器一般輸出多模光束,模式不規(guī)則,發(fā)散角大,對(duì)待焊工件加熱不集中,這些都限制了它的使用。

2.3半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料做為光增益介質(zhì)的激光器,又稱為二極管激光器(DiodeLaser)或者激光二極管(LaserDiode),其核心是一個(gè)具有光反饋結(jié)構(gòu)的PN結(jié)的二極管,它是利用半導(dǎo)體中的電子躍遷引起光子受激發(fā)射而產(chǎn)生的光振蕩器和光放大器的總稱。半導(dǎo)體激光器是一種固體激光器件,由紫外到紅外光譜范圍的材料組成。半導(dǎo)體有源材料的基本結(jié)構(gòu)單元是PN節(jié),它的電光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%左右,而其它工業(yè)激光器的轉(zhuǎn)換效率為1%~10%。半導(dǎo)體激光器輸出激光的特征波長780~830nm,比Nd:YAG激光波長更短、效率更高、所需能量更少。此外,半導(dǎo)體激光器的使用壽命和服役時(shí)間很長(4000~5000h,最高可達(dá)10000h)。

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半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖


與CO2激光器和Nd:YAG激光器相比,半導(dǎo)體激光器具有很多突出的特點(diǎn):
(1)半導(dǎo)體激光器是直接的電子-光子轉(zhuǎn)換器,具有很高的轉(zhuǎn)換效率。理論上,半導(dǎo)體激光器的內(nèi)量子效率可接近100%,雖然實(shí)際上由于存在某些非輻射復(fù)合損失,其內(nèi)量子效率要低一些,但仍可以達(dá)到70%以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它激光器。
(2)半導(dǎo)體激光器所覆蓋的波段范圍最廣。通過選用不同的半導(dǎo)體激光器有源材料或改變多元化合物半導(dǎo)體各組元的組分,可以得到范圍很廣的激光波長以滿足不同的需要。
(3)半導(dǎo)體激光器的使用壽命最長。目前用于光纖通信的半導(dǎo)體激光器,其工作壽命可達(dá)數(shù)十萬小時(shí)。
(4)具有直接波形調(diào)制能力的是半導(dǎo)體激光器區(qū)別于其它激光器的重要特點(diǎn)。

在SMT中,采用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行高密度引線器件的焊接,其突出的特點(diǎn)是不會(huì)對(duì)元器件有太大的熱影響;激光照射區(qū)域被限制在引線和焊盤范圍內(nèi),還可有效地避免細(xì)間距引線間的釬料橋連。半導(dǎo)體激光器在SMT領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用,在超微型,高精密元器件領(lǐng)域內(nèi)有著廣闊的應(yīng)用前景。

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審核編輯 黃宇

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